DE102021201781A1

DE102021201781A1 - Elektrische Schaltvorrichtung für Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen

Info

Publication number: DE102021201781A1
Application number: DE102021201781.9A
Authority: DE
Inventors: Steffen Lang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2022-08-25
Also published as: WO2022179834A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltvorrichtung, insbesondere für Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen, aufweisend wenigstens zwei über eine Bewegungseinrichtung beabstandbare, kontaktierbare Leiterelemente und ein eine Schaltkammer definierendes Gehäuse aus einem Isolator und zwei das Gehäuse axial abschließenden metallenen Kappen. Durch die Erfindung wird vorgeschlagen, eine gefüllte dielektrische Beschichtung mit hoher Permittivität aus einem Kunststoff, auf die Gehäuseoberfläche einer Vakuumschaltröhre ganz oder teilweise aufzubringen, damit an kritischen, insbesondere an Triplepunkten, die Feldlinien gebrochen und Lichtbögen soweit wie möglich verhindert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltvorrichtung, insbesondere für Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen, aufweisend wenigstens zwei über eine Bewegungseinrichtung beabstandbare, kontaktierbare Leiterelemente und ein eine Schaltkammer definierendes Gehäuse aus einem oder mehreren Isolator/en, wobei Teile der Schaltkammer aus Metall ausgeführt sein können, üblicherweise in der Nähe des Kontaktspaltes und zwei das Gehäuse axial abschließenden, bevorzugt metallenen, Kappen.
Bei Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen, allgemein gesagt also bei Spannungen, die größer als 1 kV sind, werden aufgrund der hohen Spannungen komplexere Schaltvorrichtungen benötigt, die den auftretenden elektrischen Feldern standhalten können, möglichst resistent gegen Degradierungseffekte sind und auch Überschläge außerhalb der eigentlichen Schaltkammer vermeiden sollen.
Ein klassisches Beispiel hierfür sind die Vakuum-Leistungsschalter (vacuum circuit breakers - VCB), die Kernkomponenten bei der Energieübertragung und Verteilung sind, insbesondere in deren Schaltsystemen. Sie decken einen großen Teil der Mittelspannungs-Schaltanwendungen ab, also der Schaltanwendungen beispielsweise im Bereich von 1 kV bis 52 kV, sowie einen relevanten Teil in Niedrigspannungssystemen. Auch ihre Nutzung in Hochspannungs-Transmissionssystemen, beispielsweise bei Spannungen größer als 52 kV, nimmt zu. Während ein VCB die meiste Zeit geschlossen ist, mithin eine Kontaktierung der Leiterelemente vorsieht, ist seine hauptsächliche Aufgabe die Unterbrechung von Strömen in Wechselstrom-Systemen bei Nennbedingungen, insbesondere also zum An- und Ausschalten von Nennströmen, oder aber bevorzugt zum Unterbrechen von Strömen bei Fehlerbedingungen, insbesondere um Kurzschlüsse zu unterbrechen und das Systemen zu schützen. Andere Anwendungen umfassen das reine Schalten von Lastströmen unter Verwendung von kontaktierenden Leiterelementen, das meist in Niedrig- und Mittelspannungssystemen verwendet wird.
Der Vakuum-Interruptor (VI, auch Vakuumschaltröhre) ist das Kernelement eines VCB. Eine Vakuumschaltröhre weist meist ein Paar von Kontakten auf, die durch entsprechende Leiterelemente gebildet werden, von denen wenigstens eines mittels einer Bewegungseinrichtung bewegt werden kann, um die geöffneten und geschlossenen Zustände der Schaltvorrichtung herbeiführen zu können. Üblicherweise wird dabei ein Leiterelement axial bezüglich des anderen fixierten Leiterelements bewegt. Die Kontakte können aus stromleitenden, insbesondere aus Metall bestehenden Bolzen gefertigt sein, welche sowohl Strom- als auch Wärmeleitung zur Verfügung stellen sowie die mechanischen Mittel, um die Kontakte zu halten und/oder zu bewegen.
Ein VI umfasst ferner ein vakuumdichtes Gehäuse und die erwähnte Bewegungseinrichtung und kann zudem einen Metall-Balg umfassen, welcher auf einer Seite mit dem Gehäuse, auf der anderen Seite mit dem bewegten Leiterelement, insbesondere dem bewegten Bolzen, verbunden ist. Das Gehäuse wird im Wesentlichen durch ein isolierendes Bauteil, also einen Isolator, gebildet, beispielsweise ein keramisches Rohr, welches über Verbindungselemente mit den Leiterelementen verbunden ist, wobei beispielsweise Metallkappen oder dergleichen genutzt werden, die zur Bildung der Schaltkammer das isolierende Bauteil in axialer Richtung abschließen. Innerhalb der Schaltkammer herrscht ein permanentes Hochvakuum kleiner als, 10^-4 hPa oder 10^-4 mbar. Das Vakuum ist notwendig, um die „make-break-Operationen“ zuzusichern und die Isolationseigenschaften der Schaltvorrichtung im offenen Zustand zu gewährleisten.
Wenn die Schaltvorrichtung in einem offenen Zustand ist, muss zum einen die Nennspannung des Systems isoliert werden, zum anderen aber auch Stoßspannungen hoher Amplituden, die beispielsweise durch einen Blitzeinschlag in das System ausgelöst werden können. Wenn die Schaltvorrichtung vom geschlossenen in den offenen Zustand übergeht, mithin die Kontakte der Leiterelemente beabstandet werden, müssen Nennströme oder Kurzschlussströme unterbrochen werden, die zum Auftauchen vorübergehender Spannungsspitzen über den VI führen, die deutlich höher als die Nenn-Wechselspannungen des Systems sind.
Hohe Spannungen in Vakuumsystemen erzeugen üblicherweise freie Elektronen durch Feldemissionsprozesse, wenn die elektrische Feldstärke hinreichend hoch ist. Die Beschleunigung der Elektronen in den hohen elektrischen Feldern erhöht die kinetische Energie dieser Elektronen, beispielsweise bis hin zu Energien, die einige zehn oder sogar hunderte von KeV überschreiten. Die Interaktion dieser hochenergetischen Elektronen mit den Gehäusestrukturen führt zur Produktion hochenergetischer Röntgenstrahlung, die die Vakuumschaltröhre verlassen kann. Während unter üblichen Bedingungen der Fehlerstrom innerhalb der Vakuumschaltröhre minimal ist und keine nennenswerten Röntgenstrahlungsanteile erzeugt, können Umstände auftreten, beispielsweise wenn vorübergehende Spannungsspitzen hoher Amplitude auftreten, in denen die entstehende Röntgenstrahlung freie Elektronen an und/oder nahe der äußeren Oberfläche des Isolators erzeugt. Diese Elektronen können durch die elektrischen Felder auf der Isolatoroberfläche und in ihrer Nähe beschleunigt werden, die elektrische Feldverteilung in empfindlichen Bereichen stören und zu Gasdurchschlag führen, was zu einem Fehler im Betrieb der Vakuumschaltröhre führt.
Auch in Fällen, in denen keine feststellbare Röntgenstrahlung existiert, beispielsweise in Niedrig- und Mittelspannungsanwendungen, können die hohen elektrischen Felder in kritischen Bereichen der Vakuumschaltröhre, beispielsweise an der Verbindung des Isolators und der Metallkappen durch Löten (Hartlöten), zum Ausstoß von Elektronen führen, was zu einer nennenswerten Menge an Feldemission führt. Auch diese Elektronen können lokal das elektrische Feld stören und zu weiterer Feldverstärkung und/oder zur Ladungsvervielfachung durch Elektronenlawinen führen, welche wiederum den Verlust der Isolationsstärke und/oder des Spannungswiderstands der Vakuumschaltröhre zur Folge haben können.
Auf den inneren Oberflächen der Vakuumschaltröhre existieren ähnliche Herausforderungen, während ein zusätzliches Problem gelöst werden muss. Durch die Unterbrechung des Stroms (Nennstrom wie auch Kurzschlussstrom) werden Teile des Kontaktmaterials verdampft und innerhalb der Schaltkammer als heißer Metalldampf verteilt. Dieser Metalldampf kann sich auf der Isolatoroberfläche absetzen und baut mit der Zeit eine leitfähige Metallschicht auf. Diese Metallschicht, auch wenn sie nur schwach leitfähig ist, kann ebenso das elektrische Feld außerhalb und innerhalb der Vakuumschaltröhre stören und mithin über die Zeit die Spannungswiderstandsfähigkeit der Vakuumschaltröhre verschlechtern. Zwar wurde in diesem Kontext vorgeschlagen, im Kontaktierungsbereich der Leiterelemente ein Schirmelement, welches ebenso aus Metall bestehen kann, zum Abfangen freier Metallpartikel der Leiterelemente vorzusehen, welches jedoch auch einen Einfluss auf die Feldverteilung innerhalb der Schaltkammer, aber auch am Isolator hat.
Aus den genannten Gründen muss das Gehäuse der Schaltkammer, insbesondere auch der meist aus Keramik realisierte Isolator in der Lage sein, hohen Spannungen über der jeweiligen Oberfläche Stand zu halten, auch wenn Röntgenstrahlung und freie Elektronen vorliegen oder, in einigen Fällen, sogar dann, wenn der Isolator durch Staubpartikel verschmutzt ist, die elektrostatisch an der äußeren Oberfläche des Isolators angelagert werden. Nachdem der Isolator nennenswert zu den Kosten einer Vakuumschaltröhre (oder sonstigen Schaltvorrichtungen) beiträgt und auch die Kosten anderer struktureller Elemente der Vakuumschaltröhre (oder sonstigen Schaltvorrichtungen) negativ beeinflusst, ist es notwendig, das Gehäuse im Hinblick auf maximale dielektrische Stärke bei minimaler Bauteilgröße zu optimieren.
Diese Problemstellung wurde bislang dadurch gelöst, dass die innere und die äußere Geometrie der Vakuumschaltröhre derart gewählt wurde, dass die erwarteten elektrischen Feldstärken nicht empirisch abgeleitete Grenzen für eine bestimmte Geometrie der Vakuumschaltröhre überschreiten. Nachdem diese Begrenzungen nicht präzise vorhergesagt werden können, insbesondere für Tripelpunkt-Bereiche und/oder scharfe Metallkanten, hängt die Auslegung von Vakuumschaltröhren nicht nur von Berechnungen zum elektrischen Feld während des Entwicklungsprozesses ab, sondern benötigt auch eine große Menge empirischer Optimierung. Dies bezieht sich auch auf den Aufbau von metallischen Schichten aus den inneren Oberflächen des Isolators, welche, wie bereits erwähnt, heute üblicherweise durch Verwendung von Schirmstrukturen (Schirmelemente) innerhalb der Schaltkammer vermieden werden sollen. Dennoch können heutzutage die Ablagerungen des Metalldampfes und ihr Einfluss auf die dielektrische Stärke des Vakuum-Interruptors VI nicht quantitativ in einer hinreichend genauen Art vorhergesagt werden.
Ferner ist anzumerken, dass die genannten Designprozesse allesamt zu einer Reduzierung der Isolationseigenschaften der Außenstruktur der Vakuumschaltröhre deutlich unter die dielektrische Stärke von Luft oder anderen Gasen, die die Vakuumschaltröhre umgeben, führt, so dass Gehäuse- und/oder Isolatorgrößen - bezüglich der Länge und/oder dem Durchmesser - benötigt werden, die hinsichtlich der Kosten und des Bauraums nicht optimal sind. Die Hinzufügung von Schirmelementen bezüglich der Metalldämpfe führt zu Verzerrungen der im Betrieb auftretenden elektrischen Felder am Isolator, was zu starken Feldern an bestimmten Stellen und mithin zu einer Überbelastung des Isolators führen kann, die durch sich dort aufbauende Ladungen entstehen. Doch auch andere Ursachen führen, wie bereits dargestellt wurde, zu derartig lokalen hohen Feldern am Isolator des Gehäuses der Vakuumschaltröhre, wobei die hier dargelegten Probleme auch bei anderen Schaltvorrichtungen, wie z.B. Gasschalter neben der beispielhaft genannten Vakuumschaltröhre gelten.
In der Regel sind die bekannten VIs zwar oft weitgehend symmetrisch zu einer -gedachten - Mittelebene der Röhre aufgebaut, um die Zahl unterschiedlicher Bauteile und die Komplexität des Aufbaus zu minimieren. Die reale Umgebung der Röhre verzerrt jedoch das elektrische Feld im Allgemeinen stark, so dass Bereiche der Röhre stark elektrisch - im Sinne einer hohen mittleren elektrischen Feldstärke - sind.
Es besteht daher der Bedarf, die unterschiedlichen Anforderungen an die Spannungsfestigkeit, wie hohe Blitzstoßspannungen mit stark transienten Schaltflanken - beispielsweise 1,2µm Anstiegszeit und einer exponentiell abfallenden Rückflanke mit einer Zeitkonstanten von 50µs, Nennspannungen von 50Hz oder 60Hz Grundfrequenz mit harmonischen Anteilen bis in den kHz-Bereich, sowie so genannte Nenn-Stehwechselspannung 50/60Hz bei bis zum Doppelten der Nennspannungsamplitude, für bis zu einer Minute Belastungsdauer, durch die Konzeption der Schaltvorrichtung zu beherrschen.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schaltvorrichtung mit einem einen - bevorzugt zylinderförmigen - Isolator und axiale Abschluss-Kappen umfassenden Gehäuse anzugeben, die eine erhöhte Spannungsfestigkeit bei minimaler Baugröße sowie Herstellkosten der Schaltvorrichtung zeigt, insbesondere eine Schaltvorrichtung, die besonders in den stark elektrisch belasteten Bereichen - wie oben erklärt - des Gehäuses eine verbesserte Spannungsfestigkeit zeigt.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbart ist, gelöst.
Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Elektrische Schaltvorrichtung mit zumindest zwei über eine Bewegungseinrichtung beabstandbaren, kontaktierbaren Leiterelementen und einem, eine Schaltkammer definierenden, Gehäuse, das die Leiterelemente wenigstens teilweise umgibt, wobei das Gehäuse einen Isolatorkörper und Bereiche eines elektrischen Kontaktes hat und wobei das Gehäuse außen zumindest teilweise eine dielektrische und mit Füllstoff gefüllte Beschichtung aufweist, bei der elektrisch leitfähige Füllstoff-Partikel in einer Matrix eingebettet sind, ohne der Beschichtung elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, wobeientweder -

a. die elektrisch leitfähigen Füllstoff-Partikel in einer Menge unterhalb der Perkolationsschwelle und/oder
b. die elektrisch leitfähigen Partikel isolierend beschichtet und in einer Menge innerhalb oder über der Perkolationsschwelle vorliegen,

Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass elektrisch leitfähige Partikel innerhalb einer elektrisch nicht leitfähigen, also dielektrischen und gefüllten Beschichtung deren Polarisierbarkeit, also deren Permittivität strak erhöhen, weil die elektrisch leitfähigen Partikel, im Gegensatz zu „nur“ polarisierbaren Partikel nicht nur die Valenzelektronen im elektrischen Feld verschieben können, sondern eben ihre gesamte Elektronenlast innerhalb eines Partikels gemäß der angelegten Spannung verschieben können. Das ergibt eine „extreme Polarisierbarkeit“ der gegeneinander isoliert vorliegenden elektrisch leitfähigen Partikel oder elektrisch leitfähigen Partikel-Kerne und damit eine sehr hohe Permittivität, die ihrerseits eine starke refraktive Feldsteuerung und feldhomogenisierende Wirkung durch die dielektrische gefüllte Beschichtung erreicht. Diese Wirkung ist solange stabil, solange die einzelnen elektrisch leitfähigen Partikel gegeneinander isoliert vorliegen und keine Leitfähigkeitspfade ein Abfließen der Elektronen aus den Partikel und/oder Partikelkernen ermöglicht.
Das Matrixmaterial kann aus der Gruppe umfassend Elastomere, Duroplaste, Thermoplaste und/oder Glas gewählt werden. Entsprechend können die verschiedenen Beschichtungsverfahren zur Herstellung der Beschichtung gewählt werden.
Das Matrixmaterial wird bevorzugt als Lack, insbesondere in Form eines Nasslacks oder Pulverlacks, aufgetragen. Andere Aufbringungsmethoden, wie Sprühen, Tauchbad, Verguss etc. sind denkbar, sie allerdings stehen beim momentanen Stand der Erforschung der Technik nicht im Vordergrund.
Großer Vorteil der Aufbringung als Pulverlack und/oder Nasslack ist die Porenfreiheit der hergestellten gefüllten dielektrischen und gefüllten Beschichtung. Eine derartige Porenfreiheit wird zwar durch Verguss auch erhalten, allerdings leidet dabei in der Regel die Homogenität der Beschichtung, insbesondere an den Kanten.
Bei der Aufbringung als Nasslack umfasst dieser in der Regel Lösungsmittel, die nach der Trocknung des Lackes nicht oder in nur geringen Mengen noch im Matrixmaterial vorhanden sind.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Matrix aus einem polymeren Matrixmaterial, beispielsweise einem polymeren Harz, das in Form eines polymeren Binders vorliegt.
Als „polymere Matrix“ wird ein Polymer oder ein polymeres Bindemittel bezeichnet. Die polymere Matrix umfasst insbesondere ein Harz oder ein Harzgemisch, wie Epoxidharz, Silikonelastomer, Siloxanharz, Polyvinylalkohol, Polyetherimid, Polyesterimid, Polyurethan, Silikon- und/oder Polyesterharz, und ähnliche sowie beliebige Kombinationen, Copolymere, Blends und Mischungen der genannten Verbindungen.
Geeignet als polymere Matrixmaterialien sind alle Gemische und Komponenten, die durch Aushärtung und Vernetzung duroplastische und/oder elastomere gefüllte Harze ergeben.
In dieser Matrix befinden sich beispielsweise elektrisch leitfähige Füllstoffe in einer Menge unterhalb der Perkolationsschwelle.
Mit der „Perkolationstheorie“ wird das Ausbilden von Clustern und zusammenhängender Gebiete bei Zufallsbesetzungen beschrieben. Mit „Menge entspricht der Perkolationsschwelle“ wird deshalb bei elektrisch leitfähigen Füllstoffen die Menge an Füllstoff-Partikel in einer Matrix bezeichnet, die in der Matrix elektrische Leitpfade ausbildet, was sich sofort, quasi mit Erreichen dieser Menge, an einem steilen Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit der Beschichtung ablesen lässt.
Als elektrisch leitfähige Partikel für eine oder mehrere Füllstofffraktionen eignen sich beispielsweise alle Metalle, Metalllegierungen, leitfähige Metalloxide, und/oder leitfähig dotierte Metalloxide. Dabei ist es unerheblich, ob die leitfähig dotierten Metalloxide n-leitend oder p-leitend dotiert sind.
Beispielsweise ist als Material für eine oder mehrere Füllstofffraktionen ein Gemisch aus feingemahlenen Metallpulver verschiedener Metalle und/oder Metalllegierungen geeignet. Diese sind, solange die einzelnen Partikel elektrische Leitfähigkeit zeigen nur in Mengen, die insgesamt unter der Perkolationsschwelle liegen, zur Bildung der dielektrischen gefüllten Beschichtung geeignet.
Andererseits befinden sich in der Matrix beispielsweise elektrisch leitfähige und dielektrisch vollflächig beschichtete Füllstoff-Partikel oder Füllstoff-Partikel-Fraktionen in einer Menge oberhalb oder auf der Perkolationsschwelle.
Beispielsweise ist als Material für einen derartigen Füllstoff ein Gemisch aus feingemahlenen Metallpulver verschiedener Metalle und/oder Metalllegierungen geeignet, das oberflächlich oxidiert ist. Insbesondere können beispielsweise Eisenpartikel in der Matrix eingebettet sein, die oberflächlich korrodiert oder oxidiert sind. Durch den Rost haben sie eine vollflächige Eisenoxid-Beschichtung, die isolierend ist und gegenüber der Möglichkeit - bei ausreichender Menge an Partikel in oder oberhalb der Perkolationsschwelle - der Bildung von Leitpfaden innerhalb der Matrix, wirkt der Rost und/oder diese Eisenoxid-Schicht quasi wie eine Sperrschicht. Andere leicht korrodierende Metallpartikel wie Kupfer- und/oder Aluminiumpartikel, die eine Kupferoxid und/oder Aluminiumoxid-Oberfläche auf einem Kupfer und/oder Aluminium-Kern haben, sind ebenso geeignet.
Andererseits können elektrisch leitfähige Metallpartikel auch mit einem Kunststoff an deren Oberflächen beschichtet vorliegen, so dass die Partikel elektrisch isoliert voneinander vorliegen und dann erst anschließend - beispielsweise - in ein polymeres Bindemittel eingearbeitet werden.
Andererseits ist es im Umfang der Erfindung enthalten, dass die elektrisch leitfähigen Partikel dotierte keramische Partikel sind, so dass die Partikel oder zumindest die Kerne der Partikel elektrisch leitfähig sind. Beispiele für solche Keramiken sind Zinnoxid, Zinkoxid, Zirkoniumoxid, Strontiumtitanat und/oder Bariumtitanat. Beispielsweise sind Keramikmaterialien, wie sie für Sperrschichtkondensatoren einsetzbar sind, als Material für eine oder mehrere Füllstofffraktionen geeignet.
Sperrschichtkondensatoren enthalten viele Mini-Kondensatoren in Form von ferroelektrischen Keramikmaterialien wie z.B. Strontiumtitanat oder Bariumtitanat. Zur Herstellung wird die Keramik in einem Sinterprozess bei Temperaturen zwischen 1100°C und 1400°C verbacken. Nach dem Brennen wird dieses Material allerdings einer zusätzlichen Nachbehandlung unterzogen: Die Keramik, deren einzelne Körner durch die Sinterung miteinander verbacken sind, wird durch geeignete Maßnahmen leitfähig gemacht.
Die Herstellung der elektrischen Leitfähigkeit der Keramikkörner kann beispielsweise durch Dotierung, beispielsweise durch Dotierung mit dreiwertigem Antimon geschehen, wobei die Keramik im beispielhaften Fall von Antimon in einen n-leitenden Zustand überführt wird. Anschließend wird auf der Oberfläche der gesinterten und dotierten Keramikkörner eine isolierende, also eine elektrisch sperrende Schicht aufgebaut, die als Dielektrikum von Mini-Kondensatoren innerhalb eine Keramikmaterials Wirksamkeit entfalten kann. Diese Schicht kann einerseits durch Dotieren der Keramik mit den Akzeptoren Kupfer oder Eisen erzeugt werden, wobei p-leitende Zonen aufgebaut werden, die ein elektrisch isolierendes Dielektrikum bilden, wenn die Dicke dieser Zone größer als die freie Weglänge der Ladungsträger ist. Andererseits kann die Oberfläche der Keramikkörner oxidiert werden, wobei ebenfalls eine sehr dünne, elektrisch isolierende Sperrschicht aus oxidierter Keramik erzeugt wird, die als Dielektrikum des Kondensators wirksam wird. Alternativ zur oberflächlichen p-Dotierung der n-leitend dotierten Keramikkörner können die leitfähigen Keramikkörner auch mit einem dielektrisch isolierenden Kunststoff oberflächlich beschichtet werden.
Alle drei Versionen der elektrisch isolierenden Sperrschichten weisen außerordentlich hohe relative Permittivitäten auf. Sie können Werte bis 50 000 aufweisen. Außerdem sind sie extrem dünn. Da Sperrschichtkondensatoren, wie fast alle Kondensatoren in der Elektronik, im Grunde genommen Plattenkondensatoren sind, deren Kapazität umso größer ist, je größer die Elektrodenfläche A und die Permittivität ε_0/r und umso geringer der Elektrodenabstand d ist, führen die hohe relative Permittivität und das dünne Dielektrikum zu Kondensatoren mit ziemlich hohen Kapazitätswerten. $C = ε_{0} ε_{r} \cdot \frac{A}{d}$
Eine oder mehrere Füllstofffraktion(en) gemäß der vorliegenden Erfindung kann deshalb auch Mini-Kondensatoren in Form von Keramikkörnern, wie sie zur Bildung von Sperrschichtkondensatoren hergestellt werden, umfassen.
Alternativ zur oberflächlichen p-Dotierung der n-leitend dotierten Keramikkörner können die leitfähigen Keramikkörner auch mit einem dielektrisch isolierenden Kunststoff beschichtet werden.
Bei der Aufbringung in Form von Pulverlack sind übliche Additive, wie Härter, Beschleuniger und/oder Zusatzstoffe möglicher weise in den herkömmlich als vorteilhaft erkannten Mengen enthalten. Sowohl Duroplaste, Elastomere als auch Thermoplaste können in Form eines Pulverlacks aufgebracht werden.
Dabei liegt ein Härter in der Regel nur dann vor, wenn eine additive Polymerisation stattfindet. Ein Beschleuniger, Initiator und/oder Katalysator wird in allen Fällen, in denen Harz gehärtet wird, eingesetzt.
Das Matrixmaterial wird in der Regel vor, während, aber bevorzugt nach der Herstellung des Gehäuses aufgebracht. Beispielsweise wird die dielektrische gefüllte Beschichtung, die durch Beschichten mit dem gefüllten Matrixmaterial erzeugt wird, durch Besprühen, Aufrakeln, Eintauchen, Bepinseln und/oder sonstige Methoden, die die Herstellung einer dünnen homogenen - insbesondere möglichst homogen und möglichst porenfreien - Beschichtung erlauben, aufgebracht.
Die Aufbringungsmethode wird dabei bevorzugt automatisiert durchgeführt.
Die dielektrische Beschichtung ist eine gefüllte Beschichtung aus einem oder mehreren Matrixmaterialien, die organisch, beispielsweise in Form eines Bindemittels und/oder Polymers, oder anorganisch, beispielsweise als Glas, ausgebildet sein können, in denen der Füllstoff eingebettet ist.
Die Füllstoffmenge in der dielektrisch gefüllten Beschichtung richtet sich eben nach der Art des Füllstoffes im Hinblick auf die Ausbildung von Leitfähigkeitspfaden. Sie kann in weiten Grenzen variieren. So kann eine Füllstoffkonzentration 1 Vol% - also dem fast ungefüllten Matrixmaterial mit einer relativ geringen Refraktion, die fast nur durch dielektrische Barriere, die das Matrixmaterial bildet, bewirkt wird, bis hin zu einer Füllung von 60 Gew.-% oder höher in der Beschichtung vorliegen. Der bevorzugte Bereich an Füllstoffmenge liegt dabei zwischen 20 bis 50 Gew.-%, insbesondere von 30 Gew% bis 40 Gew% Füllung im Matrixmaterial.
Die Füllstoffpartikel der dielektrisch gefüllten Beschichtung haben keine bevorzugte Form, sie können in beliebigen Formen und Größen in der Matrix eingebettet vorliegen. Beispielsweise liegen die Füllstoff-Partikel nach entsprechender Mahlung als irregulär geformte Körner vor.
Zur Verarbeitung eignen sich gefüllte Lacke, deren Partikel möglichst einer sphärischen Form angenähert sind, besser als andere Formen, weil dabei die spezifische Oberfläche am geringsten ist und somit bei gleichem Füllgrad eine kleinstmögliche Verarbeitungsviskosität erreicht wird.
Die Größe der Füllstoffe kann variieren. Es können verschiedene Füllstofffraktionen im Füllstoff vorliegen. Das Gehäuse kann in verschiedenen Bereichen mit verschieden gefüllten Beschichtungen versehen sein.
Bei dickeren Beschichtungen und/oder bei bestimmten Materialkombinationen der Füllstoffe kommt es zu einer stärkeren Brechung der Feldlinien als bei anderen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung haben sich Dicken der gefüllten, dielektrischen Beschichtung von 10µm bis 5mm liegen, bevorzugt im Bereich zwischen 100µm und 3mm, insbesondere bevorzugt im Bereich zwischen 500µm und 2 mm als zweckmäßig erwiesen.
Ohne die gefüllte dielektrische Beschichtung wäre an der Oberfläche des Gehäuses üblicherweise ein isolierendes Gas wie Stickstoff, Luft oder Schwefelhexafluorid. All diese Gase besitzen eine kleine Permittivität. Luft beispielsweise hat die Permittivität ε_r = 1,00059. Eine Beschichtung aus einem Kunststoff wie einem Harz hat dagegen eine Permittivität von zumindest dem doppelten Wert ε_r = 2 - Beispiel Silikonharz - bis etwa ε_r = 9 - Beispiel Polyvinylalkohol. Das bezieht sich auf die gehärteten Harze.
Durch die hier vorgeschlagene dielektrische gefüllte Beschichtung ergibt sich allerding eine verglichen damit nahezu unendlich hohe Permittivität. Die damit austretenden Feldlinien werden gemäß der refraktiven Feldsteuerung gebrochen - Brechung = Refraktion -, weil durch Feldverdrängung aus dem Material mit höherer Dielektrizitätszahl in das Material mit niedrigerer Dielektrizitätszahl das Eindringen des Feldes in das Höherpermittive erschwert wird, da das elektrische Feld von der Kante oder dem Tripelpunkt weggedrängt wird.
Als Triplepunkt wird z.B. der Bereich des Gehäuses in dem eine Metallelektrode, ein fester Isolator und ein gasförmiger Isolator - also hier das umgebende Gas - zusammenkommen, bezeichnet.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist die gefüllte dielektrische Beschichtung zumindest auf einer der kontaktierenden Seiten des Gehäuses zumindest teilweise aufgebracht. Dies insbesondere deshalb, weil die gefüllte dielektrische Beschichtung gleichzeitig noch eine dielektrische Barriere ist, die, auf den Metallelektroden aufgebracht, dafür sorgt, dass es Elektronen deutlich schwerer haben, aus dem Metall heraus zu kommen. Oder, mit anderen Worten, der elektrische Überschlag zwischen den Elektroden wird durch die dielektrische Barriere hin zu höheren Spannungen verschoben. Durch die refraktive Feldverschiebung dann eben noch mal zusätzlich zu noch höheren Spannungen hin.
Vorzugsweise ist die dielektrische gefüllte Beschichtung auf beiden metallischen Kappen des Gehäuses, die den - vorzugsweise zylindrischen - Isolatorkörper zur Bildung der Schaltkammer axial abschließen, ganz oder teilweise zusätzlich zu der Aufbringung auf dem Isolatorkörper, vorgesehen.
Die dielektrische und gefüllte Beschichtung bedeckt so das Gehäuse ganz oder teilweise oder in ausgewählten Bereichen. Die gefüllte, dielektrische Beschichtung ist beispielsweise direkt auf der Gehäuseoberfläche aufgebracht oder beispielsweise aber auch auf einer unteren Schicht, wie beispielsweise einer resistiven Schicht nach dem EP 3146551 B1 .
Eine untere Schicht, auf der die gefüllte, dielektrische Beschichtung aufgebracht wird, kann sowohl eine weitere gefüllte, dielektrische Schicht als auch eine andere, insbesondere eine resistive Schicht nach dem EP 3146551 B1 , bevorzugt aber auch, abweichend davon eine resistiv-kapazitive Schicht, sein.
Bevorzugt ist die untere Schicht dabei eine dünnere Schicht als die obere, so dass sich die Schichtdicken von innen nach außen auf der Gehäuse-Außenoberfläche steigern.
Bei einer Beschichtung auf einer resistiven unteren Schicht ist insbesondere vorgesehen, dass die Matrixmaterialien der jeweiligen Beschichtungen miteinander kompatibel sind. Bevorzugt ist beispielsweise, dass die Matrixmaterialien zumindest zueinander inert sind, aber vorteilhafterweise sind sie beliebig miteinander und/oder ineinander mischbar. Ganz bevorzugt ist, dass die Matrixmaterialien verschiedener Schichten - also beispielsweise das Matrixmaterial einer gefüllten, dielektrischen Beschichtung nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und das Matrixmaterial einer resistiven Beschichtung gemäß der EP 3146551 B1 - gleiche oder ähnliche chemische Zusammensetzung aufweisen.
Die Beschichtungen können auch in Form von Schichtstapel kombiniert vorgesehen sein, wobei eine resistive Beschichtung gemäß der EP 3146551 B1 vorzugsweise auf den isolierenden Bereichen des Gehäuses der Schaltvorrichtung, wie beispielsweise auf einem keramischen Zylinder vorgesehen ist, wohingegen die gefüllte, dielektrische Beschichtung insbesondere auf den Kappen des Gehäuses, also den kontaktierenden Bereichen vorgesehen ist. Beide Beschichtungen können sich aber beliebig übereinander und insbesondere auch über alle Bereiche des Gehäuses außen erstrecken.
Alle Schichten der Gesamt-Beschichtung des Gehäuses bedecken die jeweiligen Teile des Gehäuses ganz oder teilweise, allerdings außen.
Als besonders geeignet genannt seien hier beispielsweise die Ausführungsformen, bei denen die gefüllte, dielektrische Beschichtung nicht vollflächig auf dem Gehäuse aufgetragen ist, sondern nur teilweise das Gehäuse bedeckt. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn die gefüllte, dielektrische Beschichtung auf den Kappen, insbesondere auf den metallenen Kappen und/oder auf den Kanten, die die Kappen mit dem Isolatorkörper bilden, aufgetragen ist.
Hier ist wiederum insbesondere bevorzugt vorgesehen, dass sich die gefüllte, dielektrische Beschichtung noch - einen Rand bildend - über die Kante hinaus erstreckt, beispielsweise auch auf die Oberfläche des Isolatorkörpers.
Dabei ist es unerheblich, ob der Isolatorkörper selbst noch beschichtet, beispielsweise mit einer resistiven Beschichtung versehen, vorliegt, oder nicht.
Es sind alle möglichen Schicht-Kombinationen von Beschichtungen auf dem Gehäuse, insbesondere von Beschichtungen der hier in Rede stehenden resistiven Beschichtung nach dem EP 3146551 B1 einerseits und einer gefüllte, dielektrische Beschichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung andererseits denkbar, z.B.

- dass die untere - resistive Schicht komplett das ganze Gehäuse bedeckt und die obere - gefüllte, dielektrische Schicht die untere Schicht nur teilweise abdeckt;
- dass die untere Schicht die Gehäuse-Außenoberfläche nur teilweise bedeckt, insbesondere dass die untere Schicht in Form einer resistiv-kapazitiven Schicht aufgebracht ist und die obere gefüllte, dielektrische Schicht die untere Schicht und die gesamte Gehäuse-Außenoberfläche ganz oder teilweise bedeckt;
- dass die untere Schicht teilweise von der oberen Schicht unbedeckt bleibt;
- dass resistiv-kapazitive Bereiche der unteren Schicht mit der gefüllten, dielektrischen oberen Schicht abgedeckt sind;
- dass zwei oder mehr Schichten einer Art verschiedene Gehäusebereiche bedecken und sich dabei eine oder keine Überlappung ergibt;
- etc...

Gemäß dem EP 3146551 B1 ist die resistive Schicht ganzflächig auf der Gehäuse-Außenoberfläche aufgetragen, gemäß der vorliegenden Erfindung kann sie im Unterschied dazu auch nur teilweise das Gehäuse außen bedecken, insbesondere kann sie auch in Form einer resistiv-kapazitiven Schicht mit einem nicht galvanisch - also nicht über einen Kontakt - elektrisch leitend verbunden Bereich, aufgetragen sein.
Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die untere Schicht dünner als die obere Schicht ist.
Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die gefüllte, dielektrische Schicht auf der resistiven Schicht liegt.
Eine Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt.

1 zeigt eine Schaltvorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Vakuumröhre.

1 zeigt in Form einer Prinzip-Skizze ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 1, hier eine Vakuumschaltröhre. Ein hier aus zwei röhrenförmigen Keramikteilen, also Isolatorkörper, 2, zusammengesetztes Gehäuse 3 wird durch metallene Kappen 4, die Bereiche mit elektrischen Kontakten bilden, abgeschlossen und definiert eine Schaltkammer 5, in die zwei beispielsweise als Bolzen ausgebildete Leiterelemente 6 mit Kontakten 7 geführt sind.
Das in 1 untere der Leiterelemente 6 ist gemäß dem Pfeil 8 und der angedeuteten Bewegungseinrichtung 9 beweglich ausgestaltet und kann in Erstreckungsrichtung 10 der Leiterelemente 6, welche auch die Symmetrieachse der Schaltvorrichtung 1 bildet, verschoben werden, um die Kontakte 7 in Kontakt zu bringen oder zu beabstanden, wobei vorliegend ein geöffneter, also beabstandeter Zustand der Schaltvorrichtung 1 gezeigt ist. Aufgrund der Beweglichkeit des unteren Leiterelements 6 ist dieses über einen Metallbalg 11 an die Metallkappe 4 angekoppelt; auf beiden Seiten sind also die Metallkappen 4 leitend mit den Leiterelementen 6 verbunden.
Innerhalb der Schaltkammer 5 herrscht Vakuum, vorliegend mit einem Druck als < 10^-4 hPa.
Die Erfindung bezieht sich jedoch auch auf Gasschalter, bei denen das Gas innerhalb der Schalter vorliegt. Bei den hier auch umfassten Gasschaltern sind die gemeint, bei denen Gas zum einen als Schaltmedium und zum anderen - nach erfolgreicher Abschaltung - als Isoliermedium dient. Üblicherweise wird dabei heutzutage SF6 verwendet. Da SF6 als starkes Treibhausgas ersetzt werden soll, sind in Zukunft auch Schalter mit CO2, Fluornitril, Clean Air, oder anderen alternativen Gasen denkbar.
Um beispielsweise beim Öffnen der Schaltvorrichtung 1 entstehende Metalldämpfe nicht auf die innere Oberfläche des Isolators 2, hier Keramik, kommen zu lassen, ist vorliegend in der Schaltkammer 5 ein metallenes Schirmelement 12 (Dampfschirm) im Kontaktierungsbereich vorgesehen. Dieses Schirmelement 12 sorgt nun jedoch auch für eine Verzerrung des elektrischen Feldes, so dass in einem Bereich hinter den Schirmelementen ein geringeres elektrisches Feld im Betrieb vorliegen würde, als in den „un-abgeschirmten“ Bereichen, wo sich beispielsweise Ladungen ansammeln können und somit für weitere Feldverzerrungen sorgen können, die die Funktionsfähigkeit der Schaltvorrichtung 1 in Frage stellen könnten.
Um dem entgegen zu wirken, ist bei dem hier skizzierten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass sich auf der Außenoberfläche des Gehäuses 3, also sowohl auf den Isolatorkörper 3 als auch auf Bereichen der elektrischen Kontakte - also den Kappen 4 - eine gefüllte, dielektrische Beschichtung 13 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung befindet.
Die gefüllte, dielektrische und - hier vollflächig - aufgetragene Beschichtung 13 der hier gezeigten Ausführungsform umfasst eine polymere Matrix, die mit einem elektrisch leitfähigen Füllstoff, aus einem keramischen Material ε_r im Bereich von größer/gleich 1000, vorzugsweise von 1500 bis 5000, gefüllt ist. Der Füllstoff ist mit 30 Gew% in der Matrix enthalten. Es handelt sich um eine Mischung aus verrosteten Eisenpartikel und oxidierten Aluminium-Partikel.
Die gefüllte, dielektrische Beschichtung 13 ist relativ günstig im Materialpreis und relativ einfach - auch automatisiert - aufsprühbar. Ihr Vorhandensein kann mit einer Rasterelektronenmikroskop und einer Elementaranalyse relativ einfach nachgewiesen werden.
Der besondere Vorteil der hier erstmals vorgestellten Anwendung einer refraktiv-steuernden und gefüllten, dielektrischen Beschichtung ist auch, dass dadurch, dass durch diese Beschichtung praktisch kein Strom fließt, diese sehr alterungsbeständig ist und lang und zuverlässig hält.
Durch die Erfindung wird vorgeschlagen, eine gefüllte dielektrische Beschichtung mit extrem hoher Permittivität ε_r >/= 100 auf die Gehäuseoberfläche einer Vakuumschaltröhre ganz oder teilweise aufzubringen, damit in kritischen Bereichen, insbesondere an Triplepunkten, die Feldlinien gebrochen und Lichtbögen soweit wie möglich auseinandergezogen und damit Blitze verhindert werden.
Die hier vorliegende Erfindung ist nicht auf Vakuumröhren beschränkt, sondern bezieht sich auf andere Schalter, beispielsweise gasisolierte - beispielsweise solche mit SF6 und/oder Clean Air -als Schaltgas. Bei Gasschalter mit Clean Air wird dieses in der Regel nur als Isolationsmedium verwendet und befindet sich nicht in der Unterbrechereinheit, wo der Lichtbogen entsteht und die Schalthandlung vorgenommen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3146551 B1 [0055, 0056, 0058, 0059, 0064, 0065]

Claims

Elektrische Schaltvorrichtung (1) mit zumindest zwei über eine Bewegungseinrichtung (9) beabstandbaren, kontaktierbaren Leiterelementen (6) und einem, eine Schaltkammer (5) definierenden, Gehäuse (3), das die Leiterelemente (6) wenigstens teilweise umgibt, wobei das Gehäuse (3) einen Isolatorkörper (2) und Bereiche eines elektrischen Kontaktes (4) hat und wobei das Gehäuse (3) außen zumindest teilweise eine dielektrische und mit Füllstoff gefüllte Beschichtung (13) aufweist, bei der elektrisch leitfähige Füllstoff-Partikel in einer Matrix eingebettet sind, ohne der Beschichtung elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, wobei- entweder a) die elektrisch leitfähigen Füllstoff-Partikel in einer Menge unterhalb der Perkolationsschwelle und/oder b) die elektrisch leitfähigen Partikel isolierend beschichtet und in einer Menge innerhalb oder über der Perkolationsschwelle vorliegen, so dass sich in beiden Fällen trotz Vorliegens von elektrisch leitfähigen Partikeln als Füllstoff in der Matrix eine elektrisch nicht leitfähige, also dielektrisch und gefüllte Beschichtung des Gehäuses ergibt.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Füllstoff der gefüllten und dielektrischen Beschichtung (13) in zwei oder mehreren Füllstofffraktionen vorliegt.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die gefüllte, dielektrische Beschichtung zumindest in einem Bereich eines elektrischen Kontaktes (4) vorliegt.
Schaltvorrichtung nach einem Ansprüche 2 oder 3, wobei die leitfähigen Partikel einer Füllstoff-Fraktion der zumindest zwei Füllstofffraktionen mit einer dielektrischen Beschichtung aus einem Metalloxid, wie Rost und/oder Keramik, beschichtet vorliegen.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Partikel einer Füllstofffraktion einen Kern aus durch Dotierung leitfähig gemachtem Strontium- und/oder Bariumtitanat mit einer entgegengesetzten Dotierung auf der Oberfläche hat, so dass die Partikel der Füllstofffraktion eine Materialkombination, die für einen Sperrschichtkondensator passend wäre, aufweist.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der Matrix eine Gesamtmenge an Füllstoff-Partikel im Bereich von 1 Gew% bis 60 Gew%, insbesondere von 1 bis 50 Gew% vorliegt.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Harz der Matrix ein polymeres Harz ist und ausgewählt ist aus der Gruppe der Elastomere, Duroplaste, Thermoplaste und/oder Glas.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das polymere Harz oder das polymere Harzgemisch zumindest eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe folgender Verbindungen: Epoxidharz, Silikonelastomer, Siloxanharz, Polyvinylalkohol, Polyetherimid, Polyesterimid, Polyurethan, Silikon- und/oder Polyesterharz, und ähnliche sowie beliebige Kombinationen, Copolymere, Blends und Mischungen der genannten Verbindungen, umfasst.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die gefüllte, dielektrische Beschichtung in Kombination mit zumindest einer weiteren Beschichtung auf der Außenoberfläche des Gehäuses (13) vorgesehen ist.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die weitere Beschichtung eine resistive Beschichtung ist.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die resistive Beschichtung die Gehäuse-Außenoberfläche ganz oder teilweise bedeckt.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche die gefüllte, dielektrische Beschichtung (13) zumindest zum Teil über der resistiven Beschichtung vorgesehen ist.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die gefüllte, dielektrische Beschichtung mit einer Schichtdicke kleiner/gleich 5mm, vorliegt.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die gefüllte, dielektrische Beschichtung als Nasslack applizierbar ist.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die gefüllte, dielektrische Beschichtung als Pulverlack applizierbar ist.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Schaltvorrichtung um einen Vakuumschalter oder einen Gasschalter handelt.